混沌理论对城市规划的启示

  1　对混沌理论的简单理解
    20世纪60年代，爱德华·洛伦兹在《Chaos》一书中提出混沌理论(Chaos Theory)：在看似随机的事件中，有其内在的规律性，并可用数学模型对其定义。作为科学术语的“混沌”，指的是貌似随机的事件背后存在着的内在联系。“混沌”的原意是指无序和混乱的状态。科学家给“混沌”下的定义是：“混沌是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动，一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性、不可重复、不可预测”。混沌是非线性动力系统的固有特性，是非线性系统普遍存在的现象。在现实生活和实际工程技术问题中，混沌无处不在。混沌学的任务就是寻求种种混沌现象的规律，并加以处理和应用。
    混沌理论起源于研究人员对气象学、电路、湍流等复杂物理系统的研究。事实上，混沌运动不仅是存在于自然界中的一种普遍运动形式，人文及社会诸多领域中的混沌现象同样比比皆是，比如股票市场、人生经历、教育过程等。20世纪70年代以来，混沌理论迅速发展并渗透到化学、生物学、生态学、力学、气象学、经济学和社会学等诸多领域，成为一门影响广泛的新兴学科。正是由于混沌理论极大地扩展了人们的视野，活跃了人们的思维，具有重要的科学价值，其已跻身成为20世纪科学界与相对论和量子论并列的三大理论成就之一。
    2　混沌理论在城市规划领域中的应用
    混沌理论告诉我们世界是混乱的、随机的，而且混乱就是系统本身所固有的，它的很多思想为我们带来了许多启迪，使我们从无序中寻找有序，从混沌中追求相对的整体性、协调美和“秩序的真谛”成为可能。确定性与随机性历来被科学和形而上学哲学视为完全对立的属性，混沌理论却证明两者是相通的，或者说是矛盾的统一。
    现实世界中所有复杂而有适应能力的系统都存在于混沌的边缘[1]。城市是具备一定学习能力，具有自适应性和自组织性的复杂系统[2]。混沌理论兴起以后，很快影响到城市地理学领域[3]。Dendrinos等人将混沌理论引入城市研究，提出城市就是混沌吸引子(Chaotic Attractor)的思想，为后续研究者精确地运用混沌理论研究城市和城市化过程奠定了基础[4]。
    混沌理论对于城市规划师而言，既是令人兴奋的，也是令人焦虑的。说它令人兴奋，是因为混沌学说开启了将复杂现象简单化的可能性；说它令人焦虑，是因为混沌理论的引入是对传统科学模型构建可信度的怀疑。但不管怎样，混沌理论将数学、科学和技术相互融合，它的魅力源自于整合了有序与无序、确定性与不确定性等看似相互矛盾的关系，对城市规划学而言具有深奥的启示意义[5]。而且，不断出现在自然、社会和应用科学等领域的一些混沌思想对城市规划产生的重要影响，将混沌理论引入城市规划的尝试具有很大的探索空间。就目前而言，混沌思想下的“分形”在城市研究中的应用比较常见。例如，沙里宁从树木生长中受到了启发，提出了著名的有机疏散理论；克里斯塔勒应用分形理论，提出不同级别的城市呈现出自相似的六边形网络；我国学者曾将分形理论应用于城镇体系的规模结构和空间结构、空间相互作用、中心城市吸引力等研究领域[6-8]。除“分形”以外，混沌理论体系内涵的其他科学属性同样值得城市规划师思考与借鉴。本文从混沌理论的非确定性和不可预测性、有序与无序的辩证、简单与多样的辩证以及“蝴蝶效应”等方面介绍混沌理论可能对城市规划领域产生的有益启示。
    3　混沌理论对当前我国城市规划的启示
    3.1　非确定性与不可预测性的启示
    1998年，比利时科学家普利高津在《确定性的终结》一书中首次明确提出了非确定性思想。非确定性思想认为，未来既是可以预测的，也是不可预测的。系统的短期行为可以预测，但由于系统的行为对初始条件具有敏感依赖性，因而其长期行为是不可预测的，如天气系统。卡尔·波普指出：社会是一个不可预测的复杂系统，并深信科学预测在社会科学中不可能实现。城市规划研究的对象是社会、经济活动与环境所组成的城市空间系统及其演化过程，显然具有不确定性的特质。因此，非确定性城市规划思想是科学技术发展带来的人类认识论、方法论变革影响下的必然结果。城市发展的种种不确定性和不确定因素客观存在，需要规划师直面不确定性，不断吸纳科学技术的最新成就，改造和完善非确定性城市规划的思想和方法，从而最大可能地减小规划与实际的裂隙[9]。
    人们通常认为，掌握信息是控制事物不确定性的首要手段，信息量大，消除不确定性的程度就大，对事物的预测就会更加准确。然而，混沌理论告诉我们，混沌体系自身便是一个产生连续信息的信息源，获取再多的信息对于预测未来也毫无意义。在城市规划领域，规划师掌握足够的信息，建立足够完备的模型，是否就可以比较准确地预测未来？根据混沌理论判断，答案是否定的，因为长期的不可预测性是城市混沌系统所固有的。正如有城市学者指出，规划师正面临着越来越明显的两难困境：城市和超级城市似乎是不可规划的[10]。虽然有学者质疑城市的可规划性，但更多城市研究者则不断尝试着寻找某种模型来拟合城市的发展。规划师可能并不吃惊听到城市预测有很大难度，但是他们肯定会惊讶听到城市预测注定要失败的论调。不管掌握多少数据，不管模型多么完备，不管经过多少检验，根据混沌理论，由于在无限世界中预测、观察和计算的有限属性，在某些情况下，准确预测是不可能实现的。在混沌状态下，我们预测的所谓城市秩序不可避免地变为混乱，城市发展的事实很少像人们计划的那样进行[11]，而依赖“完美”预言的规划策略很可能将是不恰当的甚至是误导的。
    城市的不确定性与不可预测性对于城市规划师而言无疑令人沮丧，正如气象学家做了几十年的天气预报，忽然被告知长期天气预报是不可能的一样[12]。对于这个世界，苏格拉底在两千多年前就曾坦言：“我知道我不知道”。查尔斯·汉迪同样认为，只有一句预言能站得住脚，那就是“没有一句预言能站得住脚”[13]。当然，并不是生活中的所有事物都是混沌状态的。某些城市规划师必须处理的事情是非常规范和可以预测的，如道路规划、建筑构建和公共服务等。但是许多城市规划师处理的现象，如人口增长、运输流量和产业

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规模等，则可能完全是混沌状态的。而对于混沌状态的事物，除非是迫在眉睫的未来，否则是不能够准确预测的[14]。
    混沌理论揭示出，不仅是在我们如何观察世界，还是真实世界如何运作方面，都存在一种固有的“不确定性原则”。混沌不是混乱或随机，混沌即是秩序，但是这种秩序是不可见的。混沌理论为城市规划师提供了一种模棱两可的信息：一方面，混沌理论揭示人类行为比我们想象的要复杂得多，复杂到我们不可能对我们规划的事物形成一个完整的理解；另一方面，混沌理论同样揭示出就算是高度复杂的行为也能在简单的模型中得到解释。
    接受城市系统的非确定性与不可预测性，将促使我们正确认识到当城市规划涉及广阔的地域范围或长时间跨度时，由于反馈和参数的过于庞杂，我们很难得出正确的判断并由此制定规划策略。因此，城市规划应该是渐进的、弹性的。渐进式城市规划是通过在未来的不确定性中界定现实的有限目标，提供阶段性方案，为解决当前的实际问题发挥积极作用。但显然，将目光完全放在“当前”会使规划的作用变得消极和被动，所以弹性的城市规划同时强调城市规划是一种动态过程，而不是终极发展目标。
    3.2　有序与无序的启示
    混沌学描述了一个无限复杂的宇宙，其中万事万物皆相互关联、相互影响。混沌状态可理解为“有序中存在无序，无序中蕴含有序”。有序和无序在混沌运动中总是无法分割地联系在一起。有序和无序相互作用、嵌套、缠绕，动态地演化发展，形成了各种形态的奇怪吸引子，创造出混沌景象。
    在经典科学里，有序才是科学的概念，是事物空间排列上的规整性和时间延续中的周期性，无序则被认为是空间上的偶然堆砌和时间中的随机变化。长久以来，人们追求有序的社会与城市，抗拒无序与混沌，并且沉迷于征服和规范我们周围的世界，城市规划师更是如此。1933年的《雅典宪章》提出城市的居住、工作、游憩和交通四大功能，在规划方法上强调功能分区与用途纯化，极力改变传统城市功能与空间混乱无序的状态。柯布西耶的“巴黎重建计划”、第二次世界大战以后西方国家的大规模城市更新运动等也都是这种思想的典型反映。然而，西方国家城市规划建设过程中的一些失败经验表明：人们企图使城市变得有序、规则、可控的努力却最终给城市带来巨大破坏，并导致一系列城市社会问题的出现，遭到众多城市学者的批判。简·雅各布斯坚决反对粗暴简化的规划方式，强调城市的复杂性本质，以及城市作为混沌系统所具有的内在随机性。城市的内在随机性表现在城市形态上是“混乱”和“无序”的，但是这种“无序”往往是假象，混沌之中隐藏着更深层次的城市组织运行规则。城市规划应该做的是接纳和发展这种城市自然形成的“混乱”与“无序”，因为这是城市深层次秩序自然产生的外部形态。粗暴地摒弃与破坏城市本质意义上的“无序”，并代之以简单的、独立的“有序”的城市功能区划，将使城市丧失其应有的活力与多样性。
    国内规划界同样盛行追求明确的城市功能分区与井然有序的空间秩序的现代规划思想，如在城市中规划建设大量功能单一的封闭式居住区等。从混沌科学的角度看，城市社会是一个包含着社会经济因素之间错综复杂的相互依存关系、充满活力的复杂系统。城市规划须充分认识城市的这种复杂性，并继续探索适应这种复杂性的新规划设计理论[16]。混沌思想表明，我们与其抗拒城市的非确定性，不如接受非确定性提供的诸多可能性。尽管人类憎恶混沌，并尽可能避免混沌，但是大自然却在大量地应用混沌，我们应该效法自然。所以城市学者和城市规划师要改变思维方式，挖掘和利用混沌对于个人和城市的重要现实意义，而不是简单地去试图扼杀它。
    3.3　城市简化与多样性的启示
    美国建筑学家亚历山大研究了世界各地的城镇和村庄后，发现其间充斥着分形和自组织混沌，一个健康、和谐运转的社区或城市的建设并不依赖于一个总体规划，而是由个人从日常生活的自然模式中展开他们的空间与建筑。如果一个城镇或建筑具有这种难以言传的特质，它就成为自然的一部分，如同海浪或草的叶子，有无尽的重复和变化控制着，在造化中创生[17]。正如一个健康的生态环境包括广泛多样的物种，彼此交互作用，如果我们削减系统多样性，使系统更均匀同质，那么系统将变得脆弱，因缺乏弹性而易于崩溃。
    简·雅各布斯坚信多样性才是大城市的天性。亚历山大同样认为，如果我们按照树形结构规划城市，城市将把我们的生活切割成碎片。城市的本质不是功能区块的拼合，被功能分区“简化”到极致的城市在本质上不能称为城市。被“简化”的城市即亚历山大所提到的具有树形结构的城市，树形结构因具有容易理解与掌握、高效率、最少冗余路径、更加有序以及减少发生混沌的概率的优点而受到城市管理者与规划师的青睐。但树形结构缺乏弹性、僵硬死板的缺陷同样是显而易见的，树形结构将城市“简化”，而“简化”并不一定是理想的。对于混沌系统而言，两点之间的最短路径不一定是一条直线。换言之，即使当我们满足于可望实现的既定目标，最好的到达那里的方法并不总是最直接的那

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条路。一个有益的启示是，在城市规划中，“少即是多”原则并不完全适用于城市混沌系统，保持城市的混沌状态与多样性，或许才是我们应该追求的理想城市状态。
    3.4　“蝴蝶效应”的启示
    1963年，著名的气象学家洛伦兹在数值计算的基础上提出了“蝴蝶效应”，认为初始条件的微小差异会导致气象系统的极大差异：一只蝴蝶在巴西煽动一下翅膀，有可能会在美国的德克萨斯引起一场龙卷风。从此以后，“蝴蝶效应”名声远播。“蝴蝶效应”之所以令人着迷、令人激动、发人深省，不但在于其大胆的想象力和迷人的美学色彩，更在于其深刻的科学内涵和内在的哲学魅力。从科学的角度看，“蝴蝶效应”反映了混沌运动的一个重要特征：系统的长期行为对初始条件的敏感依赖性。
    “蝴蝶效应”是混沌系统的典型特征，初始条件的微小差别在最后的现象中可能产生极大的差异。蝴蝶力量本身就难以预测，因为它是一种微妙的影响力。微妙影响力是指我们每个人以各自的方式对社会发挥作用，无论这种作用是好还是坏。美国住房与都市发展部负责培训社区组织者的Mike Patterson把城市社区描述成一个网络。这一网络由那些细小的看似并不重要的事物构成，比如小小的礼节、恩惠、照料他人，大街上相遇时的一个微笑或一个手势，以及那些人们习以为常的事情[18]。社区如此，城市亦是如此。我国转型时期的城市社会状态类似于物理系统中的非平衡态，新的相对稳定和意外结构有时会突然产生，而中国社会庞大的人口基数特征，意味着任何微小变化下的人口累加效应都将十分突出。因此，城市规划中的细节与宏观目标同样重要，我们不能忽视微小细节对个人和城市所施加的微妙影响。
    4　结语
    我们说城市具有“非确定性”、“不可预测”与“无序”等混沌系统属性，并不是宣扬城市的“不可知论”。恰恰相反，诚如马克思所言：世界上只有还未认知的事物，没有不能认知的事物。城市混沌理论虽然在一定程度上意味着城市规划师预测城市发展的难度增大，但同时也为城市规划师提供了一种将城市复杂问题简单化的理论路径，并为城市规划思维与方法论的创新提供了诸多有益的启迪。结合目前中国城市面临的快速社会空间转型问题，城市空间转型过程中日益显现出的“非线性”与“复杂性”等混沌属性，揭示出转型城市系统“混乱”与“随机”的固有特征。然而我们有理由相信，看似“无序”的城市系统内部实则蕴含着“有序”的运行规则。城市规划师与决策者只要深谙城市这一混沌系统的本质，认真积累与总结城市规划实践经验，顺应城市发展规律进行转型期城市规划决策，便有望逐渐掌握城市秩序的真谛，以科学规划降低中国城市转型的社会空间成本。

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